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ENERGIA NUCLEAR
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
Prof. Dr. Daniel Albiero
FORTALEZA-CE
ENERGIA NUCLEAR é aquela proveniente do núcleo do átomo Fusão nuclear, fissão nuclear, desintegração atômica.
ENERGIA ATÔMICA é aquela proveniente de processos e interações no átomo aceleração/desaceleração de elétrons, saltos em níveis quânticos, ionização.
ENERGIA NUCLEAR
Desintegração nuclearFissão nuclear
46Be 3
6Li 26He
isóbaros
47Be 3
6Li 25He
isótones
46Be 4
7 Be 48Be
isóbaros
próton
neutron
isótopos
ENERGIA NUCLEAR
estávelradioativo (natural)radioativo (artificial)
Número de prótons, Z
Núm
ero
de n
eutr
ons N
= A
- Z
ENERGIA NUCLEAR
= isótopo estável
Número de protons Z
Núm
ero
de n
eutr
ons
N
ENERGIA NUCLEAR
Lei zero da termodinâmica => Tudo tende ao equilíbrio
Os átomos que são instáveis tendem a alcançar o equilíbrio
Um núcleo instável por excesso de prótons tende a aumentar sua relação N/Z para atingir a linha de estabilidade, através de um destes processos:
emissão beta positivo (+) (pósitron)
captura de elétron (CE)
emissão alfa () (Hélio)
Um núcleo instável por excesso de nêutrons pode sofrer um dos seguintes processos, a fim de diminuir sua relação N/Z e, consequentemente, atingir a linha de estabilidade:
emissão beta negativo (-) (elétron)
emissão de nêutrons (n)
ENERGIA NUCLEAR
ZA
ZAX Y He Q
24
24
88226
86222Ra Rn Q
ENERGIA NUCLEAR
Emissão de partícula alfa – (Hélio):
01
11n P Q
ZA
ZAX y e Q
1
Emissão de partícula beta (-) – (elétron):
614
714C N Q
Q P n 11
01
ENERGIA NUCLEAR
Emissão de partícula beta (+) - pósitron:
ZA
ZAX Y Q
1
3065
2965Zn Cu
Captura de elétron:
11
01P e n
ZA
ZAX e Y Q 1
2655
2555Fe e Mn Q
E = 1,84 MeV
E = 1,30 MeV
1122 Na
1022 Ne E = 0
ENERGIA NUCLEAR
Emissão de raios gama – fótons:
E = 5,53 MeV
E = 4,14
1124 Na
1224 Mg E = 0
E = 1,38 MeV (2,76 MeV)
(1,38 MeV)
-
RADIOATIVIDADERutherford, em 1902, demonstrou que os raios emitidos pelos elementos radioativos são de 3 tipos:
a) *radiações : sofrem desvios iguais ao das partículas carregadas positivamente; caminham poucos centímetros no ar e são detidas por uma simples folha de papel;
b) *radiações : sofrem desvios como os raios catódicos, ou seja, das partículas negativas; observou que as radiações provenientes de um mesmo elemento não possuem velocidades iguais;
c) * radiações : não sofrem desvios em campos magnéticos; são tão provenientes como os raios-X.
Em 1903, mais uma vez Rutherford, juntamente com Soddy, estudando o fenômeno radioativo, chegaram a mais algumas importantes conclusões:
a) * os elementos radioativos sofrem espontaneamente transformações de uma espécie química para outra;
b) *essas transformações ocorrem simultaneamente com a emissão de radiações;
c) *essas transformações são de natureza subatômica, tendo lugar no íntimo do átomo;
d) * condições particulares de temperatura, pressão, proximidade de outros átomos, etc. não influenciam as transformações acima. Concluíram, então, que tal fenômeno era algo natural, intrínseco dos átomos radioativos naturais. Era a radioatividade natural.
_
+
RADIOATIVIDADE
RADIOATIVIDADE – Decaimento Radioativo
RADIOATIVIDADE – Decaimento Radioativo
RADIOATIVIDADE Artificial
RADIOATIVIDADE – Atividade Radioativa
AdNdt
1 Ci (curie) = 3,7 x 1010 desintegrações por segundoA N
dNdt
N
dnN
dtN
N t
o
0
1nNN
to
NN
eo
t
N N eot .
A A eot .
0 71,557,242,928,614,3
6,70
3,35
1,680,84
A (mCi)
dias
meia - vida
onde: Ao = atividade inicial da amostra
A = atividade atual (no tempo t)
No instante 0 temos 4,42 x 1014 átomos de 32P. Passada 1 meia vida, a metade se transformou em 32S (estável) e a outra metade continuou a se desintegrar. Passada mais meia vida, a metade da segunda metade se transformou em enxofre e assim por diante. Vê-se, portanto, que teoricamente, o número de átomos de 32P só chega a zero para t = . Na prática, porém, passadas várias
meias vidas, a atividade pode chegar a níveis desprezíveis.
RAIO-X ( ENERGIA ATÔMICA)
E E E hff i
O excesso de energia (E) é emitido em forma de radiação eletromagnética, cujo comprimento de onda é função da diferença de energia entre as duas órbitas. Quando se tratam de elétrons de órbitas mais externas, essa radiação eletromagnética emitida, é na forma de luz visível ou ultra-violeta.
Se uma quantidade de energia suficientemente grande, for transferida a um dos elétrons das camadas K ou L, capaz de arrancá-lo de sua órbita, um elétron de outra órbita superior saltará para essa vaga para tomar sua posição. Com a diferença entre os níveis de energia das órbitas internas é muito maior, o processo liberará uma radiação eletro-magnética muito mais energética, portanto, de comprimento de onda bem menor. Essa radiação altamente penetrante recebeu em 1895 de seu descobridor Roentgen a denominação de Raios X, pois ignorava a sua natureza.
RAIO-X de Freamento
APLICAÇÕES DA ENERGIA NUCLEAR/ATÔMICA NA AGRICULTURA
Radiações Ionizantes• As radiações são denominadas de ionizantes quando
produzem íons, radicais e elétrons livres na matéria que sofreu a interação.
• A ionização se deve ao fato das radiações possuírem energia alta, o suficiente para quebrar as ligações químicas ou expulsar elétrons dos átomos após colisões.
Radiações Ionizantes
TIPOS DE RADIAÇÃO
CORPUSCULARES ALFA
BETA
ELETROMAGNÉTICA Raios X
GAMA
INTERAÇÃO RADIAÇÕES
Efeito fotoelétrico
INTERAÇÃO RADIAÇÕES
Efeito Compton
INTERAÇÃO RADIAÇÕES
Produção de pares
PENETRABILIDADE NA MATÉRIA
MEDIDA DE DOSAGEM
MEDIDA DE DOSAGEM
MEDIDA DE DOSAGEM
MEDIDA DE DOSAGEM
IRRADIAÇÃO/CONTAMINAÇÃO
QUANDO UM MATERIAL É IRRADIADO ELE NÃO FICA RADIOATIVO.
Consiste em colocar os alimentos embalados ou não sob a ação de um fluxo de energia ionizante proveniente de radonuclídeos ou equipamentos apropriados.
IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS E PRAGAS
a – Radiação gamaSão radiações eletromagnéticas produzidas durante o decaimento de certos radiosótopos, como o Cobalto-60 ou Césio- 137.
b – Aceleradores de elétronsSão equipamentos que produzem feixes de elétrons de alta energia e os aceleram com velocidades muito altas, proporcionando milhões de Gray (Gy) em frações de segundos.Energia máxima permitida - 10 MeV
c – Raios XEsta radiação eletromagnética de energias variadas é produzida por equipamento apropriado.Energia máxima permitida -5 MeVDose de Irradiação – quando a radiação ionizante penetra num meio (ou alimento) toda ou parte da energia é absorvida por esse meioA unidade com a qual a dose absorvida é medida é o Gray (Gy) = absorção de 1 J (Joule)/kg
Tipos de radiações ionizantes usadas para irradiar os alimentos:IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS E PRAGAS
IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS E PRAGASFontes radioativas
Cobalto-60, Cobalto-60, - -
Césio-137, Césio-137, - -
Irídio-192 Irídio-192 - -
Amerício 241Amerício 241
IRRADIADORES
IRRADIAÇÃO DE FRUTAS
IRRADIAÇÃO DE PRAGAS
TIPOS DE PRAGAS
Principais artrópodos:Besouros, Carunchos ou Gorgulhos
Traças
Ácaros
DOSES DE RADIAÇÃO IONIZANTE: radiação gama, raios-X ou elétrons acelerados
Besouros: a partir de 100 Gy até 500 Gy
Traças: a partir de 300 Gy até 1000 Gy
Ácaros: a partir de 250 Gy até 1000 Gy
Cuidado especial: embalagens para evitar re-infestação
IRRADIAÇÃO DE PRAGAS
DETERMINAÇÃO DE UMIDADE DO SOLO
Seu princípio é bastante simples, estando baseado na perda de energia dos nêutrons rápidos através de choques com os núcleos leves no sistema solo-água-ar. Este princípio de perda de energia do nêutron é chamado de moderação de nêutrons. Em geral, utiliza-se uma relação empírica entre a contagem de nêutrons térmicos ou moderados e a umidade do solo.
Sonda de Nêutrons
Classificação do nêutron:
a)nêutrons térmicos: < 0,1 eV
b)nêutrons intermediários: entre 0,1 - 1 MeV
c)nêutrons rápidos: entre 1 - 10 MeV
d)nêutrons relativísticos: > 10 MeV
SONDA DE NÊUTRONS
DETERMINAÇÃO DE DENSIDADE DO SOLOSonda de Raios Gama
ESPALHAMENTO: Uma fonte de raios gama emite fótons gama que atingem a matriz do solo, um detector mede o número de fótons que retornam da superfície do solo de pois de interagirem (espalhamento) com os átomos das partículas de solo, o número de fótons espalhados e proporcional a densidade do meio
As medidas de densidade do solo podem ser feitas por dois princípios distintos: Espalhamento de fótons gama ou Atenuação de fótons gama.
ATENUAÇÃO: O solo fica entre a fonte de raios gama e o detector que conta o número de fótons gama que atravessaram a espessura de solo definida e o número de fótons espalhados, através da lei Beer-Lambert é calculada a atenuação dos raios gama. Esta atenuação é proporcional a densidade do meio.
SONDA DE RAIOS GAMA CONJUGADA COM SONDA DE NÊUTRONS
SONDA DE RAIOS GAMA CONJUGADA COM SONDA DE NÊUTRONS
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
Tomografia Raios-Gama ou Tomografia Raios-X
Atenuação de radiações eletromagnéticas
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA
Fótons-Níveis quânticos energéticos do hidrogênio
ESPECTRÔMETROS DE ABSORÇÃO E EMISSÃO ATÔMICA
ESPECTRÔMETROEspectro eletromagnético-Transporte de Energia:
E=h.n
Ondas eletromagnéticas-Espectros Linhas de absorção/emissão: ESPECTRÔMETRO
ESPECTRÔMETRO
ESPECTRÔMETRO DE ABSORÇÃO
ESPECTRÔMETRO DE EMISSÃO
ESPECTRÔMETRO DE MASSA
MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOSAntes do início do
experimentoApós o início do
experimento
Substrato A(SA)
Substrato B(SB) Produto final
- elemento de interesse no estudo (N)- radioisótopo do elemento (I)
Em 1942, a seguinte pergunta era feita: de onde era originário o O2 evoluído durante a reação de fotossíntese? Da água? Do CO2? Ou de ambos? O problema foi elucidado fazendo crescer algas (Chlorella pyrenoidosa) em solução contendo KHCO3 a pH 10. Quando as algas cresceram em meio contendo 2H2
18O, a razão 18O/16O do O2 evoluído, determinado por espectrometria de massas, foi igual a da água marcada com o 18O. Fazendo as algas crescerem em meio com água comum e contendo KHC18O3, o O2 evoluído não estava enriquecido em 18O. Após este estudo, ficou esclarecido que o oxigênio da fotossíntese era derivado da água.
MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS ESTÁVEIS
MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS RADIOATIVOSAntes do início do
experimentoApós o início do
experimento
Substrato A(SA)
Substrato B(SB) Produto final
- elemento de interesse no estudo (N)- radioisótopo do elemento (I)
Parte-se do princípio da formação de um produto final (P), contendo um elemento químico, objeto do estudo (nutriente, metal pesado, etc.), a partir de um substrato A (SA), onde o radionuclídeo do elemento não está presente e, também, de outro substrato B (SB) que contém o radioisótopo do elemento em questão.
MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS RADIOATIVOS
MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS ESTÁVEIS
87Rb-87SrEmissão de -
– Meia vida: 48,8 x 109 anos• Amplitude: 106 anos até idade deste Universo (?)
– Rochas ígneas e metamórficas– Para rochas sedimentares, somente datação de
argilas autóctones (>2m) e clásticas
1ln1
86
87
86
87
86
87
SrRb
SrSr
SrSr
t i
DATAÇÃO RADIOATIVA
DATAÇÃO RADIOATIVA
Séries Naturais (U e Th)
• Decaimento de U e Th em isótopos estáveis de Pb
DATAÇÃO RADIOATIVA
DATAÇÃO RADIOATIVA
DATAÇÃO RADIOATIVA
Séries Radioativa Naturais
Cálculo por U• 238U 206Pb• 235U 207Pb• 232Th 208Pb
Repete-se o cálculo para 207Pb e 208PbCompara-se os resultados (datação)
1ln*1
204
238
204
206
204
206
1206
PbU
PbPb
PbPb
t i
DATAÇÃO RADIOATIVA
DATAÇÃO RADIOATIVA
• Condições para o método
- Produção constante de 14C na atmosfera;
- Equilíbrio de 14CO2 na atmosfera ao longo do tempo;
- Balanço entre os reservatório;
• Explanação do Método do Carbono 14
- Formação de 14C;
- Equilíbrio de 14C na atmosfera;
- Decaimento de 14C;
- Datação Radiocarbônica;
14C 14N + - (156 kev)
• Produção de 14C por raios cósmicos
Raios-cósmicos n n n n nn
1414N N 1414N N 1414N N 1414C C
++OO2 2
Secção de choqueSecção de choque1414N= 1,78 barnsN= 1,78 barns
11PPOutras reações:
16O (n,T)14C ; 13C (n,)14C ; 15N(n,D)14C
14CO2
DATAÇÃO RADIOATIVA
• Equilíbrio de 1414CC Atmosférico
12CO2 12CO2
14CO2 12CO2
13CO2 12CO2
12CO2
12C=98,89%; 13C=1,11%; 14C=10-12 por 12C
Reservatórios
Proporções:
CO2
Vegetal
AnimalH2O (oceanos, lagos e rios)
CaCOCaCO33(conchas,etc)(conchas,etc)
DATAÇÃO RADIOATIVA
•Princípio da Datação por 14C
Um organismo vivo, devido à contínua troca de carbono com o meio ambiente, atinge no equilíbrio, uma atividade específica de 14C igual a existente na atmosfera. Com sua morte, essa troca de carbono cessa, e sua atividade específica decresce com a meia vida do radiocarbono.
t = 8033 x lnNo/N ou t = 8033 x ln Ao/A
Para T1/2 14C = 5568 30 anos
t = T1/2 / 0,693 x lnNo/N ou t = T1/2
/ 0,693 x ln Ao/AEquação da Idade
DATAÇÃO RADIOATIVA
Meia Vida do 14C
DATAÇÃO RADIOATIVA